劉鋼鋼,張延智,劉大雙
(黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司,河南省濟(jì)源市 459017)
小浪底工程[1]位于黃河干流上,壩址處多年平均含沙量為37kg/m3,廠房布置6臺(tái)300MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,額定轉(zhuǎn)速107.1r/min,額定水頭112m,工作水頭67.91~141.67m,水頭變化幅度大,是河南電網(wǎng)裝機(jī)容量最大的常規(guī)水電站,承擔(dān)著河南電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。
小浪底水電站水輪機(jī)[2]主要由轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、筒閥、主軸密封、頂蓋、蝸殼、尾水管等構(gòu)成。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,蝸殼內(nèi)水流會(huì)沿著機(jī)組主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間竄入頂蓋。為阻止蝸殼內(nèi)的水進(jìn)入頂蓋,水輪機(jī)布置了主軸密封裝置[3]。若水輪機(jī)主軸密封封水效果不好,將會(huì)導(dǎo)致漏水量變大,造成水輪機(jī)導(dǎo)軸承被淹,甚至出現(xiàn)機(jī)組事故停機(jī)情況,嚴(yán)重威脅水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。
小浪底工程水輪機(jī)主軸密封裝置[6]主要包括支持環(huán)、浮動(dòng)環(huán)、嵌入式摩擦環(huán)及滑環(huán)四部分,主軸密封裝置局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
機(jī)組運(yùn)行時(shí),現(xiàn)場(chǎng)采用揚(yáng)程為95m的水泵給主軸密封持續(xù)供水,浮動(dòng)環(huán)在主軸密封水浮力、彈簧彈力、自重、頂蓋下腔壓力及主軸密封盤根與支持環(huán)之間摩擦力的聯(lián)合作用力下處于動(dòng)態(tài)平衡,根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況不同而上下浮動(dòng)。主軸密封高壓水在嵌入式摩擦環(huán)與滑環(huán)之間會(huì)形成約5μm的高壓水膜,利用高壓水封低壓水的原理,以阻止流道中的水過(guò)多進(jìn)入頂蓋。
圖1 主軸密封局部結(jié)構(gòu)Figure 1 Shaft seal local structure
由于黃河汛期泥沙含量高,易造成主軸密封部件的嚴(yán)重磨損[7]。2018年,小浪底工程機(jī)組經(jīng)歷了一次高含沙、高負(fù)荷、長(zhǎng)歷時(shí)運(yùn)用,4臺(tái)機(jī)組主軸密封裝置先后出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象,嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。
(1)支持環(huán)及浮動(dòng)環(huán)出現(xiàn)變形。支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)設(shè)計(jì)間隙值為0.7~0.9mm(單邊),而在檢修過(guò)程發(fā)現(xiàn),其間隙值偏離設(shè)計(jì)值較多,其中2號(hào)機(jī)組的支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值Table1 The gap value between retaining ring and sealing ring
續(xù)表
(2)嵌入式摩擦環(huán)磨損嚴(yán)重。由于小浪底工程過(guò)機(jī)含沙量較高,據(jù)統(tǒng)計(jì)2018年最大過(guò)機(jī)含沙為72.85kg/m3,高含沙水造成摩擦環(huán)磨損嚴(yán)重,其中2臺(tái)機(jī)組已磨損12mm(允許磨損值為10mm),造成浮動(dòng)環(huán)與滑環(huán)直接對(duì)磨,嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。其中,機(jī)組7月份過(guò)機(jī)含沙量曲線圖見(jiàn)圖2。
圖2 含沙量曲線Figure 2 Sediment concentration curve
(3)支持環(huán)鋁青銅封水面存在不同程度磨蝕。支持環(huán)與主軸密封盤根接觸部位采用寬為50mm、厚為5mm的鋁青銅,機(jī)組運(yùn)行時(shí),浮動(dòng)環(huán)帶動(dòng)主軸密封盤根與支持環(huán)的鋁青銅摩擦。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng),鋁青銅面局部出現(xiàn)磨蝕坑,坑深可達(dá)6mm。
針對(duì)機(jī)組主軸密封漏水量大的狀況,通過(guò)對(duì)運(yùn)行機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)觀察記錄,根據(jù)機(jī)組檢修處理情況,結(jié)合主軸密封工作原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn),主要原因分析如下。
(1)支持環(huán)剛度不足。小浪底原設(shè)計(jì)支持環(huán)采用兩瓣結(jié)構(gòu),由于頂蓋空間狹窄,主軸密封檢修極為不便。為提高檢修便利性,在2013年的主軸密封改造中,將原設(shè)計(jì)的兩瓣結(jié)構(gòu)改成四瓣,直接導(dǎo)致支持環(huán)剛度降低,在長(zhǎng)期的高壓水的作用下,支持環(huán)出現(xiàn)不同程度的變形。此外,由于主軸密封長(zhǎng)期在水中浸泡,支持環(huán)底部與頂蓋結(jié)合面會(huì)存在銹蝕、高點(diǎn)等影響平整度的因素,原支持環(huán)分瓣面把合螺栓采用7條M16的A2-70材質(zhì)螺栓把合,其把合力不足,在支持環(huán)底部螺栓打緊時(shí)會(huì)發(fā)生分辨面組合縫張口的情況,此種情況也會(huì)導(dǎo)致支持環(huán)變形。
(2)浮動(dòng)環(huán)剛度不足。小浪底主軸密封浮動(dòng)環(huán)材質(zhì)為GX4CrNi13-4+QT,廠家為提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,采用鑄造工藝生產(chǎn)而成。由于鑄件組織不夠致密,存在縮孔、氣孔等缺陷,晶粒粗細(xì)不均,導(dǎo)致其力學(xué)性能較低。經(jīng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,其存在一定程度的變形。
(3)支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值較小。主軸密封設(shè)計(jì)間隙為0.7~0.9mm,在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)環(huán)動(dòng)作不靈活,甚至卡澀現(xiàn)象,加至特殊的泥沙情況,從而導(dǎo)致嵌入式摩擦環(huán)偏磨。
(4)支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)局部間隙值較大。高含量泥沙水會(huì)順著間隙大的地方射出,支持環(huán)變形鋁青銅面一旦被沙粒磨出凹痕,在高壓水的作用下,凹痕處會(huì)形成夾縫射流,進(jìn)一步加劇鋁青銅面的磨蝕。
(1)提高支持環(huán)剛度。解決支持環(huán)剛度問(wèn)題,主要從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面入手。改造內(nèi)容為:支持環(huán)鋼板厚度由30mm增加至40mm;支持環(huán)外側(cè)均勻增加12個(gè)加強(qiáng)筋板;擋水環(huán)和支持環(huán)采用一體化結(jié)構(gòu),增加支持環(huán)剛度。通過(guò)上述優(yōu)化,可有效提高支持環(huán)剛度。此外,將分瓣面把合螺栓由M16增大至M24,材質(zhì)由A2-70改為C3-80,支持環(huán)內(nèi)側(cè)由一條把合螺栓優(yōu)化為兩條,大大增加了分瓣面的把合力。優(yōu)化前后的支持環(huán)剖面圖見(jiàn)圖3。
(2)提高浮動(dòng)環(huán)剛度。優(yōu)化浮動(dòng)環(huán)尺寸,浮動(dòng)環(huán)高度由133mm增加至140mm,外徑由3200mm增大至3210mm;浮動(dòng)環(huán)生產(chǎn)由鑄造改為鍛造,通過(guò)鍛造,改善金屬的內(nèi)部組織,提高了金屬力學(xué)性能。
(3)增大支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)分析計(jì)算,優(yōu)化其間隙值,由單邊0.7~0.9mm擴(kuò)大至1~1.375mm,從而減少浮動(dòng)環(huán)卡澀情況發(fā)生次數(shù)。
(4)提高嵌入式摩擦環(huán)抗磨能力。 將嵌入式摩擦環(huán)寬度由15mm加寬至20mm,增大與滑環(huán)接觸面積,在相同水壓下,浮動(dòng)環(huán)受到向上的浮力增大,嵌入摩擦環(huán)與滑環(huán)間高壓水膜厚度變厚,從而降低嵌入式摩擦環(huán)與沙粒磨損力度。
圖3 優(yōu)化前后的支持環(huán)剖面圖Figure 3 Before and after optimization of retaining ring profile
優(yōu)化后的主軸密封首次安裝在小浪底工程2號(hào)機(jī)組上,主軸密封安裝后間隙值見(jiàn)表2,主軸密封抬升試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表2 支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值Table2 The gap between retaining ring and sealing ring
表3 主軸密封抬升試驗(yàn)值Table3 Lift test value of shaft seal
主軸密封優(yōu)化后,機(jī)組經(jīng)2000h運(yùn)行發(fā)現(xiàn),主軸密封漏水量明顯減小,頂蓋排水泵啟停間隔明顯延長(zhǎng),由原來(lái)優(yōu)化前的2min增加至優(yōu)化后的18min,且檢查未發(fā)現(xiàn)嵌入式摩擦環(huán)有磨損痕跡。
本次水輪機(jī)主軸密封優(yōu)化降低了主軸密封漏水量,有效消除了水淹水車室的隱患,提高發(fā)電設(shè)備的可靠率,主軸密封可以保持長(zhǎng)時(shí)段安全可靠運(yùn)行,減少了因檢修主軸密封造成的停機(jī)時(shí)間,增加了經(jīng)濟(jì)效益,為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),主軸密封故障事故停機(jī)的安全隱患消除,取得了一定的安全效益;降低了因主軸密封漏水量大事故停機(jī)造成的棄水風(fēng)險(xiǎn),提高了水資源利用率,取得了一定的社會(huì)效益。